一類重要的非結合代數。最初是由19世紀挪威數學傢M.S.李創立李群時引進的一個數學概念,經過一個世紀,特別是19世紀末和20世紀的前葉,由於W.基靈、É.(-J.)嘉當、(C.H.)H.外爾等人卓有成效的工作,李代數本身的理論才得到完善,並且有瞭很大的發展。無論就其理論的完整性還是就其應用的廣泛性來說,李代數都已成為一個非常重要的數學分支。它的理論和方法已經滲透到數學和理論物理的許多領域。
定定義 如果令F是一個域,集合g稱為F上的一個李代數是指:①g是F上一個向量空間。②g帶有一個二元運算,稱為換位運算,即對於任意X,Y∈g,有g中惟一確定的元素(記為[X,Y])與之對應。③ 滿足下列三條件即對於任意α、b∈F,X,Y,Z∈g,有[αX+bY,Z]=α[X,Z]+b[Y,Z],[X,αY+bZ]=α[X,Y]+b[X,Z];[X,X]=0;[[X,Y],Z]+[[Y,Z],X]+[[Z,X],Y]=0(雅可比恒等式)。
李代數g作為F上向量空間,它的維數稱為李代數g的維數。
由③中的前兩個條件可推出,對於任意X,Y∈g,有[X,Y]=-[Y,X];反之,當F的特征不為2時可由此式推出③中的第二個條件。
設g是域F上一個向量空間,在g中定義換位運算:對於X,Y∈g,令[X,Y]=0,則g作成一個李代數,稱為交換(或阿貝爾)李代數。
在R3={(x1,x2,x3)|xi∈R,R是實數域,i=1,2,3}中,設
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令V是域F上一個向量空間。可知V的一切線性變換作成F上一個向量空間,設f、g是V的線性變換,令fg表示f與g的合成,並定義[f,g]=fg-gf,直接驗證可知,V的全體線性變換所組成的向量空間,對於這樣定義的換位運算,作成F上一個李代數。這個李代數稱為全線性李代數,記作g
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類似地,域F上全體n×n矩陣所組成的向量空間,對於換位運算[A,B]=AB-BA(A、B是n×n矩陣),作成F上一個李代數,並稱之為F上全陣李代數,記作g
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更一般地,設U是域F上一個結合代數。對於α、b∈U定義[α,b]=αb-bα,則U作成F上一個李代數。
子代數、理想、商代數、同態 令g是域F上一個李代數,α、b是g的子空間。記[α,b]={Σ[A,B](有限和)│A∈α,B∈b},則[α,b]是g的一個子空間。設α是g的一個子空間。如果[α,α]⊂α,那麼就稱α是g的一個子代數;如果[α,g]⊂α,那麼α就稱為g的一個理想。由於[α,g]=[g,α],因此李代數的理想都是雙邊的。如果α是g的一個理想,在商空間g/α裡,定義[X+α,Y+α]=[X,Y]+α,那麼g/α作成F上一個李代數,稱為g模α的商代數。
設g1、g2是域F上李代數。f:g1→g2是一個線性映射。如果對於X、Y∈g,f([X,Y])=[f(X),f(Y)],那麼f就稱為一個同態映射。如果f還是一個雙射,那麼就稱f是一個同構映射,這時g1與g2就稱為同構,記作g1≌g2。設f:g1→g2是一個同態映射,則 Imf=f(g1)是g2的一個子代數,而Kerf=f-1(0)是g1的一個理想,並且f導出一個同構g1/Kerf≌Imf。
設V是域F上一個n維向量空間。通過取定V的一個基,可以在全線性李代數g
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容易驗證,t(n,F)和n(n,F)都是g
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域F上一切跡是0(即主對角線上元素的和等於0)的n×n矩陣,作成g
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取定域F上一個n×n對稱或反對稱矩陣M。令g={X∈g
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當n=2l+1,
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當n=2l,
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可解李代數、冪零李代數 設g是域F上一個李代數,α、b是g的理想,那麼[α,b]仍是g的一個理想,特別,g(1)=[g,g],g(2)=[g(1),g(1)],…,gn+1=[g(n),g(n)],…都是g的理想。於是有gɔg(1)ɔg(2)ɔ…,稱為g的導出鏈。g(1)稱為g的導出代數。如果存在一個正整數n,使得g(n)={0},那麼就說g是可解的。
再定義g1=g,g2=[g,g1],…,gn+1=[g,gn],…,又可得到g的一個理想序列g1ɔg2ɔ…,稱為g的降中心鏈。如果存在一個正整數n,使得gn={0},那麼就說g是冪零的。因為g(i)⊂gi,所以冪零李代數一定是可解的。
例如,線性李代數t(n,F)是可解的,而n(n,F)是冪零的,事實上,t(n,F)(n)={0},n(n,F)n={0}。這兩個例子具有普遍的意義,因為有以下兩個定理。
恩格爾定理 令V是域F上一個n(大於零)維向量空間,g是g
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李定理 令F是一個特征為0的代數閉域,V是F上一個n(大於零)維向量空間,g是g
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單李代數、半單李代數 域F上一個李代數g是所謂單的,即指除瞭g本身和{0}以外,g不含其他理想。F上一個有限維李代數g是所謂半單的,即指g不含非零可解理想。每一個有限維李代數g都含有惟一的最大可解理想r,就是這樣一個理想,它包含g的一切可解理想,稱為g的根基。g是半單的當且僅當它的根基r={0}。除一維李代數外,有限維單李代數都是半單的。特征為0的域上每一個半單李代數都是一些單李代數的直和。
李代數的表示 令g是域F上一個李代數,V是F上一個向量空間。李代數的一個同態ρ:g→g
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設(ρ,V)是李代數g的一個表示。V的一個子空間W稱為ρ(g)不變的,即指W在一切ρ(X)(X∈g)之下不變。李代數g的一個表示(ρ,V)稱為不可約的,是指除{0}和V本身外,V沒有其他ρ(g)不變子空間。所謂(ρ,V)是完全可約的,意即V是一些ρ(g)不變的子空間的直和,並且ρ在每一個這樣的子空間上的限制都是不可約的。有外爾定理:特征為0的域上半單李代數的每一(有限維)表示都是完全可約的。
最重要的一種表示就是所謂伴隨表示。設X是李代數g的一個元素。對於每一Y∈g,定義adX(Y)=[X,Y],則adX是g的一個線性變換,並且ad∶X→adX(X∈g)是g到g
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設(ρ,V)是g的一個有限維表示。定義一個對稱雙線性型k:g×g→F;對於X、Y∈g,定義k(X,Y)=Trρ(X)·ρ(Y)(ρ(X)ρ(Y)的跡)。特別,當g是有限維的而ρ是伴隨表示ad時,k稱為g的基靈型。基靈型在研究李代數的結構中起重要的作用。例如有嘉當判定準則:特征為0的域上一個(有限維)李代數是半單的,必要而且隻要g的基靈型非退化。
復半單李代數的根系和分類 復數域(或一般地,特征為0的代數閉域)上的半單李代數的結構和分類,早在19世紀末就已經得到。
令g是域F上一個李代數。g的一個子代數
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設g是復數域上一個半單李代數,這時g的一個子代數
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取定g的一個嘉當子代數
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g的基靈型k在
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令Δ是g關於一個嘉當子代數
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復數域上單李代數(在同構的意義下)由它們根的基礎系完全刻畫。有以下的結果:在同構的意義下,復數域上單李代數隻有Al(l≥1)Bl(l≥1)、Cl(l≥1)、Dl(l≥3)這四類和五個例外李代數,分別記作G2、F4、E6、E7、E8、它們的維數分別是14、52、78、133和248。除瞭A1≌B1≌C1,B2≌C2,A3≌D3外,這些李代數互不同構。
復半單李代數的實型和謝瓦萊基 設g是復數域C上一個半單李代數。實數域R上一個李代數g0稱為g的一個實型,是指
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在一個復半單李代數 g裡,總存在著這樣一個基{h1,h2,…,hl;Eα,α∈Δ},這裡h1,h2,…,hl是一個嘉當子代數
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特征為p>0的域上的李代數和卡茨-穆迪代數 令g是一個復單李代數。取定g的一個謝瓦萊基,可以作出gZ。設K是任意域,於是
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1968年,V.卡茨和R.穆迪彼此獨立地提出瞭一類新的李代數,這種李代數可以看成復半單李代數在無限維的很自然的類比,稱之為卡茨-穆迪代數。
特征為p>0的域上的李代數和卡茨-穆迪代數的研究正方興未艾,與其他學科的聯系也很廣泛,許多問題有待解決。
參考書目
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